基于温度冲击试验的钽电容器性能分析及建议

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在贴片式电容器中,固体钽电解电容器具有容量大、体积小、损耗低、寿命长等突出优点,广泛用于各种民用、军用以及航天电子产品中。随着科学技术的快速发展和产品功能化需求的提高,KEMET、VISHAY等公司加大产品研发力度,在传统钽电容器的基础上,采用导电高分子材料替代MnO2,相继开发出一系列新型导电高分子钽电容器,具有ESR低的突出特点。目前高分子钽电容器应用于宇航的限制为缺乏充足的可靠性试验数据,对潜在隐患的研究仍处于初期,而温度冲击试验是暴露元器件潜在固有质量缺陷非常直观的手段。

温度冲击试验常见于钽电容器的质量保证过程中,主要考察产品抗御高低温极值交替冲击的能力,用于暴露或激发元器件潜在缺陷。目前,固体电解质钽电容器广泛应用在航天型号产品中,在空间承受复杂苛刻温度变化过程中,使得产品在适用的温度条件下,其性能参数的稳定性更加依赖温度变化的次数。在航天器预期使用寿命内,当温度冲击应力积累增多时,钽电容器性能参数也随之变化,从而影响系统的工作性能,甚至会带来严重的安全隐患,而高分子钽电容器中有机材料的应用可能使问题变得更加凸显。

采用空气介质法在温度冲击试验箱中进行-55℃~125℃温度冲击步进应力试验,步进条件为依次循环,转换时间为不超过5 min。试验选取国内某生产厂生产的同一规格高分子钽电容器和MnO2钽电容器作为样品,样品均为筛选合格的产品。在循环后将电容器产品从试验箱内拿出,放置至稳定后,通过LCR数字电桥测试样品的电容量和等效串联电阻。

在温度冲击试验过程中,样品的封装结构和材料结构均未发生明显改变,各电参数的变化由结构和材料的微变造成。样品的电容量随温度冲击变化如图1所示。温度冲击之后,两种类型的钽电容器电容量均降低,但未出现性能失效。高分子钽电容器的电容量随温冲次数增多而减小,最大容量变化率△C/C0出现在c4次后,为-1.5%;MnO2钽电容器的电容量随温冲次数的增多先减小后增大,最大容量变化率△C/C0出现在c2时刻,为-3.4%。

由于温度冲击的最高温度远低于烧结温度,因此在温冲过程中,介质层的物理厚度基本不变,容量的变化主要与钽氧化膜介电常数和有效电极板面积的微变有关。

电容量变化率随温冲的变化规律

         图1 样品电容量变化率随温冲的变化规律                                图2 样品等效串联电阻随温冲的变化规律

图2为产品等效串联电阻变化图,由图中可以看出高分子钽电容器的ESR明显小于MnO2钽电容器。在c0~c2时刻,两种类型的钽电容器等效串联电阻变化趋势基本一致,先减小后增加;当温冲次数增多时(>c2),MnO2钽电容器的等效串联电阻基本保持不变,高分子钽电容的等效串联电阻仍有逐渐增大的趋势。

由阴极材料的改变而引入的ESR变化主要集中于:①阴极电阻;②阴极与钽氧化膜的接触电阻。图2中高分子钽电容器的ESR明显低于MnO2电容器,直接反应了阴极材料电阻的差异。导电高分子材料的电导率约为10-500 S/cm,而MnO2的电导率约为0.1 S/cm,MnO2材料的电阻明显大于导电高分子材料的电阻,与图2相符。但导电高分子阴极材料的电阻可达MnO2材料阻值的100倍以上,而图2中二者的ESR之比最大为3.4,体现了接触电阻对的ESR影响。

结合产品电容量和ESR变化规律,可以发现问题集中在氧化膜电性能和Ta2O5-阴极材料界面变化规律及其影响分析上。

(1)钽氧化膜变化规律及其影响分析

在MnO2钽电容器中,受制造过程影响,Ta2O5往往由于烧结过程的关系,最终的存在形式为非计量比的缺氧氧化物,膜层中存在大量氧空位,化学式应写为Ta2O5-x;而MnO2往往为非计量比的富氧氧化物,化学式应写为Mn1-xO2。在温度冲击过程中,Mn1-xO2中的多余氧会逐渐扩散至Ta2O5-x中,氧化膜被逐渐修复。在此过程中,Ta2O5-x中的氧空位逐渐减少,电导率降低,电阻增大,介电常数增大,ESR升高,电容量也增加。但MnO2钽电容器的实际电容量和ESR随着温冲次数的增加表现出先减小后增大的趋势,说明在前期,钽氧化膜电性能的变化不是产品电容量的变化的主要原因。

对于高分子钽电容器,制造过程和材料特性可知,氧在高分子材料中主要以有机骨架的形式存在,少量以含氧有机小分子的形式存在,这部分小分子很难扩散到钽氧化膜中,对氧化膜起到作用。

(2)Ta2O5-阴极材料内表面的变化及其影响分析

当两种材料的热膨胀系数不同且温度变化时,会出现热不匹配现象,在微观上表现为化学键畸变、损伤的出现,在宏观上表现为两个膜层间接触电阻的增大以及有效接触面积的减小。随着温度冲击次数的增加,化学键畸变和断裂程度逐渐加深,产品的接触电阻逐渐增大,有效接触面积逐渐较小,导致电容量逐渐减小。但由于导电高分子材料为多孔柔性有机膜层材料,其塑性优于MnO2,可以同时向自身本体内部挤压,因此相同温度变化时对界面造成的破坏小于MnO2,c2时高分子钽电容器的容量变化率为-0.9%,MnO2钽电容器的容量变化率为-3.4%。c2~c4时,高分子钽电容器中热膨胀对界面的破坏持续发生,其有效电容面积持续降低,电容量持续下降;MnO2电容器在温冲后期的电容量变化更加依赖钽介质层的修复,表现出一定的自愈特性。

宇航应用要求性能长期稳定的产品,这就需要生产厂根据参数变化机理及过程的分析结论,开展设计和工艺的调整和改进。针对本次试验研究的样品,生产厂可以从调整钽氧化膜和阴极材料比容、改进工艺增加界面强度、调整烧结条件以调整材料内部活性物质含量等方面入手进行尝试。

对于产品质量保证过程来说,温度冲击试验作为一种加速试验,能够激发产品潜在隐患,将其转化为早期问题,从而达到暴露产品薄弱点的目的。目前温度冲击试验广泛用于电子元器件的筛选、考核以及鉴定检验过程中,更多地是作为环境试验直接考察耐受快速变化的极限温度的能力,对其评价产品长期使用性能和考核产品质量薄弱点的能力利用不足。温度冲击试验作为一种破坏性试验,更应该是一种评价试验,最理想的状态是该产品的电性能参数不随温度冲击次数发生变化。但实际过程是材料会发生退化,产品电性能参数会以一定规律发生变化。这就需要对同一生产厂生产的同规格产品进行彻底的性能评估,得到全温冲寿命周期内的电性能参数变化曲线,而对于新品来说,后续供货的产品在供货之前,必须根据上述曲线,选取适当的温冲次数对抽取的产品进行评估,以保证批次与批次间供货产品性能的一致性和稳定性。总的来说,温度冲击试验产品隐患分析,是产品质量保证工作的重要环节,是为航天提供低风险高可靠、高稳定产品的重要保证。



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2019年4月23日 14:06
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